I ricercatori della Ben-Gurion University of the Negev, della tedesca University of Ulm e della University of Oxford hanno osservato direttamente un effetto gravitazionale a lungo previsto su un oggetto quantistico in caduta libera. L'esperimento non risolve il conflitto secolare tra la meccanica quantistica e la gravità, ma fornisce un notevole ponte sperimentale tra le due teorie.

La fisica moderna poggia su due pilastri di straordinario successo. La teoria della relatività generale di Einstein descrive la gravità, i pianeti, le stelle, i buchi neri e l'evoluzione dell'Universo. La meccanica quantistica spiega gli atomi, gli elettroni e il mondo microscopico.

Entrambe le teorie funzionano con una precisione straordinaria. Il problema è che i fisici non possiedono ancora una teoria del tutto coerente che descriva le situazioni in cui la gravità e il comportamento quantistico devono operare simultaneamente.

Questa è esattamente la frontiera che il nuovo esperimento tenta di esplorare.

L'oggetto in caduta di Galileo, ma in versione quantistica

Al centro dell'esperimento c'è un apparato che i ricercatori chiamano Quantum Galileo Interferometer, un riferimento alle famose indagini di Galileo sugli oggetti in caduta.

Invece di lanciare palle di cannone da una torre, tuttavia, il team ha utilizzato nuvole di atomi di rubidio raffreddate a temperature appena superiori allo zero assoluto.

A tali temperature, gli atomi possono manifestare la loro natura quantistica in modo estremamente chiaro. Utilizzando impulsi di microonde, i ricercatori hanno posto gli atomi in uno stato noto come sovrapposizione quantistica, permettendo effettivamente all'onda quantistica associata a un atomo di seguire due percorsi diversi simultaneamente.

Una parte dell'onda atomica è stata mantenuta ferma utilizzando campi magnetici controllati con cura. L'altra è stata spinta verso l'alto e poi rilasciata, permettendole di cadere liberamente sotto la gravità terrestre proprio come una palla lanciata in aria.

Le due parti sono state successivamente riunite.

Poiché le onde quantistiche interferiscono tra loro, i ricercatori hanno potuto rilevare una minuscola differenza nella loro fase quantistica causata dal periodo di caduta libera. Tale variazione misurata concorda con la previsione ottenuta applicando il principio di equivalenza di Einstein al sistema quantistico. (

Si tratta della prima misurazione diretta, affermano i ricercatori, di questa fase quantistica prevista prodotta dalla caduta libera.

Einstein entra nel mondo quantistico

Il principio di equivalenza di Einstein è al cuore della relatività generale.

Nella sua forma più semplice, afferma che qualcuno che cade liberamente sotto l'effetto della gravità dovrebbe sperimentare localmente l'assenza di peso. Immaginate di trovarvi all'interno di un ascensore il cui cavo si spezzi improvvisamente: sia voi che l'ascensore accelerereste verso il basso insieme, facendovi sentire temporaneamente come se la gravità fosse svanita.

Questo principio è stato testato con una precisione straordinaria utilizzando la materia ordinaria.

Gli oggetti quantistici sono diversi. Una particella quantistica può comportarsi come un'onda, esistere in sovrapposizione e seguire effettivamente più di un percorso contemporaneamente. La questione diventa quindi notevolmente più strana: cosa significa la caduta libera di Einstein quando un oggetto sta seguendo simultaneamente diverse storie quantistiche?

Il nuovo esperimento indica che, almeno nelle condizioni testate, il principio di Einstein e la meccanica quantistica rimangono compatibili.

Il professor Ron Folman della Ben-Gurion University, autore principale dello studio, descrive l'importanza dell'evento come l'unione di un esperimento difficile con una delle questioni teoriche più fondamentali della fisica: come la gravità e la teoria quantistica potrebbero alla fine essere incorporate in un'unica comprensione della natura.

Cosa l'esperimento non ha dimostrato

Il risultato necessita di un'importante precisazione.

Non prova che la gravità stessa sia quantistica.

Né il team ha prodotto la tanto ricercata teoria della gravità quantistica in grado di riconciliare la relatività generale con la meccanica quantistica.

Ciò che dimostra è più circoscritto ma comunque importante: il comportamento previsto quando il principio di equivalenza di Einstein viene applicato a un'onda quantistica è stato osservato sperimentalmente.

Questa distinzione è fondamentale perché alcuni dei più grandi misteri della fisica esistono proprio dove le due teorie collidono.

La relatività generale prevede fenomeni come i buchi neri, dove enormi concentrazioni di materia curvano lo spazio e il tempo. La meccanica quantistica domina a scale estremamente piccole. Vicino al centro di un buco nero — e forse durante i primi istanti dopo il Big Bang — entrambe dovrebbero avere importanza simultaneamente, eppure le nostre teorie attuali non riescono a descrivere agevolmente ciò che accade.

Penrose e il prossimo esperimento

Uno dei co-autori dello studio è il matematico e fisico di Oxford Sir Roger Penrose, vincitore del Premio Nobel per la Fisica nel 2020.

Penrose sostiene da tempo che oggetti sufficientemente massicci posti in sovrapposizioni quantistiche potrebbero alla fine rivelare un cedimento della meccanica quantistica convenzionale, potenzialmente perché la gravità stessa causa il collasso della sovrapposizione.

Gli atomi di rubidio nel presente esperimento erano troppo leggeri, e i loro stati quantistici sono durati troppo poco, per testare tale idea.

Ma questo potrebbe essere solo l'inizio.

I ricercatori affermano che i loro metodi potrebbero eventualmente essere estesi a oggetti molto più pesanti. Esperimenti che coinvolgono nanodiamanti sono già in corso presso la Ben-Gurion University per esplorare proprio questa frontiera. (Oxford University)

È qui che la storia diventa particolarmente intrigante.

La fisica ha convissuto per oltre 100 anni con due diverse descrizioni della realtà: lo spaziotempo fluido e curvo di Einstein e il mondo incerto e probabilistico della meccanica quantistica.

L'esperimento Quantum Galileo non le ha unite.

Ma per un minuscolo atomo che cade verso la Terra, Einstein e la fisica quantistica sono stati ora inseriti nello stesso esperimento e, almeno per il momento, sono d'accordo.